公路设施建设项目碳排量测算方法研究

巩舜妹，杨祥一，刘发明

（1.宿州学院资源与土木工程学院安徽宿州234000;2.深圳市综合交通设计研究院广东深圳518000）

0 引言

二氧化碳排放量的管理与控制是全球性的热议话题，而交通工程行业的持续发展成了二氧化碳排放与能源消耗的重灾区[1]，同时产生各种固体废弃物。公路设施在建设过程中排放大量的二氧化碳气体，是全球温度升高的重要诱因[2]。节能减排与低碳环保是国家的基本战略方针，也是社会各界关注的技术难点问题，而中国交通运输行业排放的二氧化碳温室气体与与其他的境污染物占国家总排放量的8%，因此，减少交通运输行业的二氧化碳排放量刻不容缓。

为了实现二氧化碳减排目标，提高节能减排的公众参与度和实施积极性，量化二氧化碳的排放量成为技术重点与难点[3]。研究表明：国家工程建设排放的二氧化碳与能源资源的消耗占建设工程全生命周期的25%，尤其是公路工程设施建设的二氧化碳排放问题不容忽视。我国对交通运输行业运营期间的二氧化碳排放量的研究较成熟，而对公路设施建设期的二氧化碳排放量研究较少[4]，细化公路设施建设期各项工作过程中产生的环境污染物，量化温室气体排放变得尤为重要。

拟以中国内陆性的城市陕西省铜川市作为研究案例，深入探讨与研究公路设施建设与碳排放之间的内在联系，对二氧化碳排放量的测算方法展开研究，以推动减排工作的顺利完成。

1 公路设施建设碳排放来源

高速公路、一级公路、二级公路、三级公路主要的二氧化碳排放量来源于石油沥青、砂、生石灰与水泥；四级公路主要的二氧化碳排放量来自于砂、碎石、水泥[7]。国道、省道、县道、乡道、农村公路、高速公路、匝道以及高速公路连接线的建设过程中产生大量的二氧化碳[8]。就农村公路而言，为了提高其通达性与服务水平，有序推进县乡公路的新建与改建，顺利完成“村村通”公路改造工程，铜川市拟投资4.96亿元，改建“村村通”公路660公里，其中，规划项目拟投资1.54亿元，建设205公里，储备项目拟投资3.42亿元，建设455公里。“十三五”期间，铜川市主要的公路设施建设内容及项目建设规模见表1：

表1 “十三五”拟规划建设项目表

由表（1）可知：依据规划建设项目技术等级的不同，公路分为五个等级，建设规模各自不同，其中三级公路占比最大，高速公路占比最小，分别占建设总规模的33.17%与3.01%。

二氧化碳的排放来源于公路设施的建设。尤其是沥青路面的铺设，热拌沥青混合料（HMA）常被应用到工程实践之中，HMA主要由沥青、集料以及矿粉拌和形成[9]，在其拌和的过程中，因其工艺的复杂性，形成大量的二氧化碳温室气体[10]。

2 碳排放生命周期评价理论

2.1 生命周期评价概念

生命周期评价（Life Cycle Assessment）简称LCA[11]，它包含两个方面：人类生产活动与产品物质生产。LCA是度量人类生产活动与产品物质生产所产生的环境负荷的一种量化工具，预测人类生产活动过程中排放的气体废弃物与固体废弃物，并评估废弃物对社会造成的环境负担，通过废弃物排量测算方法，达到改善社会环境的目的。生命周期评价是一种动态循环机制，其预评的对象复杂多样，包括人类生产活动、产品物质以及工艺模型，并且涵盖了生命周期的全过程，以热拌沥青混合料（HMA）为例，HMA原材料主要包括沥青、集料以及矿粉，就有机结合料沥青而言，它的原油提取工艺极其复杂，加工过程中产生大量的二氧化碳，后期的提纯、运输、使用与循环又会产生大量的二氧化碳。生命周期评价框架如图1所示：

图1 生命周期评价框架

由图1可知，生命周期评价主要包括四个阶段的内容，其中最重要的为第二阶段的清单分析与第三阶段的影响评价，直接运用到工程实践中，对产品进行清单分析，开发与改进产品的质量，减少现场施工过程中废弃物的排放，以达到生命周期评价的目的。

2.2 生命周期评价体系

2.2.1 评价范围与对象

公路设施建设依托于碳排放生命周期，公路工程建设的过程中，消耗大量的资源与能源。沥青、集料与矿粉的消耗，向外界环境排放出大量的二氧化碳温室气体。为了精准测算二氧化碳排放量，公路施工过程中产生的二氧化碳总量作为全生命周期的碳来源，公路施工阶段的二氧化碳排放来源如表2所示。

交通工程建设生命周期依托于生命周期评价体系，系统边界内部包含二氧化碳排放的对象与评价范围。公路施工阶段的原材料生产与获取，量化其二氧化碳产生量；生产建设材料与加工构配件以形成工程实体，最后完成现场施工与系统安装，交通工程建设生命周期的具体流程如图2所示。

表2 公路工程建设施工阶段二氧化碳排放来源

图2 交通工程建设生命周期系统边界

2.2.2 清单分析

二氧化碳当量碳排放通常用来表征温室气体的排放量，生命周期评价过程中能量与物质之间的动态转化作为清单分析的一般化阶段，量化分析碳排放因子，对整个生命周期的能源与资源进行数据化分析。就公路设施建设项目的原材料而言，主要有三类清单数据分析方法：基于公路设施建设过程的清单数据分析、项目建设过程混合清单数据分析以及原材料经济投入产出数据分析。集料与沥青作为公路铺设的重要原材料，干燥集料的过程中产生大量的CO2温室气体，加热沥青的过程中同时排放大量的CO2温室气体，每一项生产工艺流程都会伴随着巨大的碳排放量，以公路工程的施工特点为例，采用基于公路设施建设过程的清单数据分析方法，对施工过程产生的碳排量进行具体分析。

基于公路设施建设过程的清单分析以项目建设的施工过程为主要依据，划分为三个阶段：运输使用量、原材料使用量以及机械使用量，即运输过程中的油耗二氧化碳排放量、原材料加工过程中的二氧化碳排放量以及机械工具使用过程中的油耗二氧化碳排放量。通过对单元间的输入与输出做清单数据分析，并建立数据库，清晰化数据清单，其内容与步骤具体如下图3所示。

图3 清单分析内容与步骤

清单分析子系统的含义及计算方法如下：

①运输使用量。从起点到终点的运输过程中产生的二氧化碳排放量，包括原材料运输过程、装卸过程以及其他相关的运输过程。原材料主要包括：集料、水泥、沥青、矿粉、钢材以及木材。单项材料运输量的计算结果见式（1）。

②原材料使用量。材料量是指按施工过程中消耗的构成工程实体的原材料、辅助材料、构配件、零件和半成品的用量。计算方法见式（2）

③施工机械工具使用量。施工机械工具使用量包括：进出场量以及燃料动力量。计算方法见式（3）

3 公路设施项目二氧化碳计算方法建立

3.1 二氧化碳排放量计算

能源消耗排放清单采用政府间气候变化专门委员会提出的环境排放因子，其量化方法准确性较高，计算方法见式（4）

式中：Ai为能源i的二氧化碳排放量；Bi为材料能源i消费量；Ci为材料能源i二氧化碳排放系数；i为材料能源种类。

3.2 二氧化碳排放因子

能源二氧化碳排放因子是指消耗单位质量能源伴随的二氧化碳气体的排放量，是表示某种能源二氧化碳排放特征的重要参数，也是计算二氧化碳排放的基础数据。它将有关活动的数据和二氧化碳排放量联系起来。

采用如下方法选择二氧化碳排放因子：数据来源单一的因子直接取原始数据为计算因子，数据来源两个或两个以上的，取它们的平均值作为计算因子。从而得出了建设过程中所需材料和能源的二氧化碳排放因子，如表3所示。

3.3 公路设施建设项目主要物耗二氧化碳排放量计算

根据近年若干公路建设项目的工程数量与物资消耗设计估算，不同等级、不同类别公路建设的物耗水平差别较大，根据《公路工程定额指标及编制办法示例和投资造价实务全书》中不同等级公路建设项目每公里的主要物耗，及表3中列出的二氧化碳排放因子，利用二氧化碳排放量公式计算出了不同技术等级公路建设项目每公里的主要物耗的二氧化碳排放量。

表3 各种材料和能源的二氧化碳排放因子

根据以上计算方法选取了不同等级公路的综合指标，表4的数据是根据综合指标计算得到的，根据能源二氧化碳排放量中的基础数据计算，得到每公里高速公路建设项目的二氧化碳排放量， 结果如表5所示。

表4 公路建设项目每公里主要物耗（单位：t）

表5 公路建设项目每公里主要物耗的二氧化碳排放量（单位：t）

根据得到的数据结果，对不同等级的公路建设的相关数据进行进一步分析发现：高速公路、一级公路、二级公路、三级公路主要的二氧化碳排放量来自于石油沥青、砂、生石灰和水泥，约占总量的88%；四级公路主要的二氧化碳排放量来自于砂、碎石、水泥，约占总量的88.5%。在高等级公路建设过程中，石油沥青、砂、生石灰和水泥的选材与使用是节能减排的研究重点和关键步骤；在建设四级公路时，砂、碎石、水泥的选材与使用是节能减排的研究重点和关键步骤。

4 铜川市“十三五”公路建设项目二氧化碳排放量计算

根据表5中各类建设项目每公里的二氧化碳排放量及表6中列出的铜川市“十三五”公路拟规划建设项目表，计算得到铜川市“十三五”公路建设项目的二氧化碳排放总量为1 792 989.80吨。

表6 各类建设项目的二氧化碳排放情况

由表6可知：随着道路等级与车道通行能力的增加，每车道每公里建设的二氧化碳排放量呈递增趋势。

5 结语

①热拌沥青混合料（HMA）的碳排放主要来源于加热挥发碳排放和能源消耗碳排放。

②公路设施建设过程中，利用二氧化碳排放量公式对碳排放量进行测算，结果表明：随着拟规划建设项目车道通行能力的增加，其二氧化碳排放总量呈递增趋势。

③高速公路、一级公路、二级公路、三级公路主要的二氧化碳排放量来自于石油沥青、砂、生石灰与水泥，约占总量的88%；四级公路主要的二氧化碳排放量来自于砂、碎石、水泥，约占总量的88.5%。在高等级公路建设过程中，石油沥青、砂、生石灰和水泥的选材与使用是节能减排的研究重点和关键；在建设四级公路时，砂、碎石、水泥的选材与使用是节能减排的研究重点和关键。

④公路工程项目碳排放的控制与管理是一个动态过程，利用公路设施建设过程的清单分析法准确的测算碳排量。根据公路工程项目建设的不同阶段，重点地控制全过程的二氧化碳排放量。